汽车废气涡轮增压系统浅谈

于 栋

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州 450000）

1 引言

自然吸气在涡轮增压出现之前是内燃机主要的吸气方式，其原理是大气压将空气通过进气口压入气缸。在自然吸气中，汽油机的功率为20%～30%，柴油机的功率为30%～45%，换而言之，燃料在气缸中燃烧所产生的能量有一半以上的损耗，这对于能源逐步紧张的世界局面来说，是一个亟待解决的问题。

表1 内燃机热平衡表

2 废气涡轮增压系统简介

涡轮增压器开始时是为了提高方程式赛车发动机的进气量而设计的，从而提高发动机的效率，使之力量更大。涡轮增压器可以将一台内燃机功率增加40%或者更多。

图1 废气涡轮增压结构原理图

由图1可知，涡轮增压是利用内燃机排出废气的惯性冲力为原动力做功，将空气进一步压缩进入内燃机，使燃料在气缸中的燃烧更充分。这一技术可以不增加油耗的同时，显著提升发动机的功率和降低废气中有害气体的排放。由于涡轮增压可以节省能源，且有助于改善排放性能，满足人们对于驾驶舒适性的要求，因此废气涡轮增压已成为现在发动机发展的必然趋势[1]。

3 废气涡轮增压技术发展趋势浅析

燃料燃烧所释放出来的能量中大约30%被废气余热带走，这是相当可观的一部分能量，回收这些能量可以显著提高内燃机的功率，从而实现节能减排的目标。废气涡轮增压器从本质上来说是利用内燃机排出废气的惯性冲量，但对于废气中的热量并未充分利用，因此，将废弃蜗轮增压技术与内燃机废气余热能利用结合起来进行研究开发，是废气涡轮增压技术的一个发展方向，也是有效提升内燃机功率的方法，同时也是提高能源利用率的一大突破口[2]。

内燃机的废气余热能回收与涡轮增压结合的技术可以称为复合涡轮增压，其中在现代汽车上有所应用的是废气涡轮发电系统。废气涡轮发电系统方案可以分为两类：外接朗肯循环涡轮发电系统和外接布雷登循环涡轮发电系统。

3.1 外接朗肯循环系统

朗肯循环是利用换热器进行能量转换，最终将热能转换为机械能的系统。该系统是在发动机系统上增加了朗肯循环，系统原理为，从发动机流出的废气通过增压涡轮做功，通过增压涡轮带动压气机以达到增加空气进气量的目的，通过增压涡轮后的废气通过换热器，与换热器里面的介质发生能量交换，利用换热器中介质吸收热量后膨胀做功，进一步带动发电机，做过功的介质通过冷凝器，散热转化为液态，再通过水泵进入换热器，以此循环吸热做功。

在工业上，利用朗肯循环提高效率已经得到较为广泛的应用。但由于车用工况的非稳定性、制造成本与收益的权衡以及结构布局的限制等，朗肯循环在乘用车上的运用还处于研究阶段[3]。宝马、AVL、本田等许多家的企业已经在从事这方面的研究，并且取得了一定的成果。如宝马公司的Turbo Steamer系统，该系统在废气温度比较高的时候产生较大作用，最高可以提高发动机10%的燃油经济性。

3.2 外接布雷登循环系统

外接布雷登循环系统其换热介质为空气，该系统包含压气机、换热器和涡轮等主要部件，系统的热源是内燃机排出的高温废气。

外接布雷登循环系统的工作循环是废气经过增压涡轮，在带动涡轮的同时，经过与增压涡轮的轴，带动压气机工作；然后流过增压涡轮后的气体经过换热器，与换热器中的空气介质发生热交换，空气介质膨胀做功，带动动力涡轮旋转，进而带动发电机发电，在此同时也带动压气机，保证换热器中空气介质的供应。该系统最高也可以提高发动机10%的燃油经济性。

3.3 废气涡轮发电系统优缺点

废气涡轮发电系统在涡轮增压提升燃料利用率的前提下，进一步使用废气余热进行发电，极大的提升了能源的利用效率，减少了有害高温气体的排放，但是，废气涡轮发电系统也有其不足。

1）循环效率低。在现在的涡轮发电系统中，一般而言，是先将动力涡轮作为部件单独设计出来，并没有将之提前放在内燃机循环优化的系统中去考虑。在这种前提下，就造成了内燃机和动力涡轮之间的相互影响。

2）全工况性能差。在当今涡轮发电系统中，因为废气从内燃机中排出并不是一直很均匀的，期间会随着加速、减速和启停而发生流量的改变。这种情况就导致了动力涡轮发电功率的不稳定性，也直接降低了其转换的效率，使其无法达到最佳的匹配状态。

4 结论

通过上述分析可以看出，废气涡轮增压技术能够有效节能减排，与当今节能环保的大趋势相一致，其中废气涡轮发电系统对废气余热的利用也能够进一步提升资源利用率，减少环境污染，但相关技术还存在诸多不足之处，如何对现有涡轮增压系统进行优化改进是今后我们需要努力的一个方向。